Упражнение 4. Получение и исследование эллиптически поляризованного света С помощью пластинки неизвестной толщины и его анализ

1. Убрать пластинку и установить анализатор параллельно направлению поляризации лазерного излучения (интенсивность прошедшего света максимальна).

2. Установить пластинку неизвестной толщины. Последовательно поворачивая пластинку, измерить интенсивность прошедшего света и построить график зависимости нормированной интенсивности от угла поворота.

3. Найти на графике значения четырех углов ориентации пластины, для которых интенсивность прошедшего света максимальна, и провести через полученные значения отсчетов два диаметра. В соответствии с теорией, эти диаметры должны быть взаимно перпендикулярны, при этом один из них должен совпадать по направлению с оптической осью пластинки (оси ориентации пластинки).

4. Провести еще два диаметра через точки графиков, соответствующих минимуму интенсивности. Согласно теории, эти диаметры должны образовывать угол 45 с ранее построенными диаметрами В соответствии с формулой (5) нормированное значение интенсивности для этих направлений должно быть равно , где - разность фаз, вносимая пластинкой. Рассчитать данное значение (оно определяется с точностью до знака). Таким образом, в результате эксперимента определены ориентация осей пластинки и вносимая пластинкой разность фаз.

5. Установить неизвестную пластинку на угол, соответствующий минимуму интенсивности. Последовательно поворачивая анализатор каждый раз на 10-15 градусов, провести измерения зависимости фототока от угла поворота анализатора. Измерения проводятся для одного полного оборота анализатора вокруг собственной оси.

6. Построить на заготовленной координатной сетке в полярных координатах график зависимости нормированного значения интенсивности от угла поворота анализатора, при этом значение интенсивности нормируется на ее максимальное значение. Полученная зависимость должна соответствовать эллиптической поляризации. Определить значения углов поворота анализатора, соответствующих положению осей эллипса (обозначим их ).

7. Установить следом за неизвестной пластинкой пластинку , ориентированную также, как и неизвестная пластинка (оси эллипса для неизвестной пластинки должны совпадать с главными осями пластинки ). Угол поворота пластинки определяется как сумма одного из углов , найденных в упражнении 2, и одного из углов , найденных в п.6 настоящего упражнения.

8. Поворачивая последовательно анализатор на 5-10 градусов, получить зависимость интенсивности прошедшего света от угла поворота анализатора и построить график (в тех же осях, что и в п.6). Объяснить, почему получившаяся зависимость имеет именно такой вид.

 

Контрольные вопросы

1. Какой свет называется линейно поляризованным?

2. Чем отличается естественный свет от линейно поляризованного?

3. Могут ли продольные волны быть линейно поляризованными?

4. В чем состоит явление двойного лучепреломления?

5. Что такое оптическая ось кристалла? Какие направления в кристалле называются главными?

6. Почему интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды вектора E(r,t)?

7. Что называется плоскостью поляризации?

8. Как отличить свет с левой и с правой круговой поляризацией?

9. Как отличить естественный свет от света, поляризованного по кругу, и от смеси естественного света со светом, поляризованному по кругу?

 

Список литературы

1. Ландсберг Г.С. Оптика. М., Наука, 1976, гл. XVI- XVIII.

2. Матвеев А.Н.. Оптика. М., Высшая школа, 1985,§5, 42, 43.

3. Бутиков Е.И. Оптика. М., Высшая школа, 1985,§1.2,4.1.

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. М., Наука, 1985, гл. VII.

5. Http://cmp. phys.msu.su/Java/Optics или http://genphys.phys.msu.su

 

 

Работа 43

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ

ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Цель работы: ознакомление с оптическим методом определения концентрации растворов оптически активных веществ по измерению зависимости угла поворота плоскости поляризации от концентрации оптически активного вещества в растворе.

Приборы и принадлежности: источник света, матовый фильтр, конденсорная линза, трубка с исследуемыми растворами, кварцевый компенсатор, поляроид-анализатор, окуляр.

 

Введение

Электромагнитные волны являются поперечными: колебания векторов напряжённости электрического поля и напряженности магнитного поля перпендикулярны направлению скорости распространения волны и совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях. Если источником света служит множество атомов или молекул, то испускаемые ими волны не являются когерентными, поскольку пространственная ориентация векторов и в них, а также моменты испускания волн быстро и беспорядочно меняются. Таким образом, в естественном свете, испускаемом обычными источниками (некогерентными), колебания вектора напряженности электрического поля совершаются вдоль всевозможных хаотически изменяющихся направлений, перпендикулярных направлению распространения волны. Если в световой волне колебания вектора совершаются только в одной плоскости, проведенной через направление распространения волны, то такая волна называется линейной или плоско поляризованной. При этом и колебания векторов также происходят только в одном направлении. Плоскость, проведенная через направление колебаний вектора и направление распространения волны, называется плоскостью поляризации. Плоскость, проведенная через направление колебаний вектора и направление распространения волны, называется плоскостью колебаний [1].

Поляризация света наблюдается при отражении, преломлении и рассеянии света, а также при прохождении света через кристаллы и некоторые растворы.

Многочисленными опытами установлено, что именно вектор напряженности электрического поля преимущественно обуславливает физиологическое (такова оптика человеческого глаза), фотоэлектрическое, фотохимическое и другие воздействия света. Это связано с тем, что наибольший результат взаимодействия света с веществом определяется воздействием электрического поля световой волны на элементарные заряды (в первую очередь свободные и связанные электроны). Именно поэтому вектор напряженности электрического поля называют световым вектором.

При прохождении через кристаллы и оптически активные растворы плоско поляризованного света может происходить поворот плоскости поляризации (вращение плоскости поляризации). Вещества (кристаллы и растворы), при прохождении которых происходит вращение плоскости поляризации проходящего через них света, называются оптически активными: а само явление - естественное вращение плоскости поляризации. Примером оптически активных веществ являются: кварц, киноварь (кристаллы), скипидар, никотин (чистые жидкости), водные растворы сахара и глюкозы, раствор камфоры в бензоле (жидкие растворы) и другие.

В оптически активных кристаллах и чистых жидкостях угол поворота плоскости поляризации света пропорционален толщине слоя вещества , пройденного светом:

. (1)

Коэффициент называется удельным вращением (удельным вращением называется физическая величина, численно равная углу поворота плоскости поляризации при прохождении светом оптически активного вещества единичной толщины). Величина удельного вращения зависит от природы вещества, температуры вещества и длины волны в вакууме проходящего сквозь вещество света (вращательная дисперсия).

В оптически активных растворах (эксперименты Ж.Био):

, (2)

где - удельное вращение раствора, - концентрация растворенного в жидкости вещества, - толщина вещества, пройденного светом.

Качественная теория вращения плоскости поляризации предложена Френелем. Для многих оптически активных веществ обнаружено две их модификации, осуществляющие вращение плоскости поляризации в двух взаимно противоположных направлениях - по часовой стрелке и против часовой стрелки (наблюдатель смотрит навстречу лучу). Соответственно, первая модификация называется правовращающей или положительной ( >0) и левовращающей или отрицательной ( <0). Любую линейно поляризованную волну (падающую на оптически активное вещество) можно представить как векторную сумму двух составляющих, поляризованных по кругу с правым и левым вращением. Эти волны имеют разные скорости распространения в веществе - для волны с левым вращением и - для волны с правым вращением. Соответственно, показатели преломления для этих волн также различны: и . При > оптически активное вещество называется правовращающим, а при > - левовращающим.

Поскольку векторы напряжённостей электрического поля в каждой поляризованной по кругу волне вследствие разной скорости распространения в среде при прохождении одинаковой толщины повернутся на разные углы (при угле поворота больше 360° совершат разное количество оборотов), то результирующий вектор при выходе из среды окажется повернутым на некоторый угол относительно направления плоскости поляризации падающего на вещество плоско поляризованного света.

С точки зрения современной электромагнитной теории каждую молекулу или атом кристалла (жидкости) можно рассматривать как совокупность электромагнитных осцилляторов. В молекулах отсутствует центр симметрии или плоскость симметрии. В кристаллических веществах возможно смещённое расположение молекул (например, смещение их по спирали относительно проходящего луча света сквозь кристалл). Вращение плоскости поляризации световой волны является результатом взаимодействия волны с этими осцилляторами и связано с некоторой асимметрией в их структуре.

Соотношение (2) позволяет быстро определить концентрацию растворённого в жидкости вещества и служит физической основой работы сахариметров - приборов для определения концентрации сахара в водных растворах. Сахариметры используются в процессе контроля за производством на сахарных заводах, при выпуске соков и виноградных вин.

Простейший способ наблюдения естественного вращения плоскости поляризации предполагает поместить оптически активное вещество между двумя поляроидами: поляризатором и анализатором. Если плоскости поляризации обоих поляроидов взаимно перпендикулярны, то в отсутствие оптически активного вещества на выходе системы света не будет (поле зрения будет тёмным). При внесении между поляроидами оптически активного вещества происходит поворот плоскости поляризации света на некоторый угол, поэтому поле зрения становится светлым. Отметив положение анализатора и повернув его так, чтобы поле зрения стало опять тёмным, можно найти угол поворота плоскости поляризации света в исследуемом оптически активном веществе.

Определение угла поворота плоскости поляризации визуальным способом по положению анализатора, соответствующего тёмному полю, сопряжено с достаточно большими погрешностями измерений. Большую точность удаётся достигнуть полутеневым методом, в котором отсчёт производится от положения анализатора, соответствующего полям сравнения, имеющим одинаковую яркость. Измерения угла вращения плоскости поляризации производятся с помощью поляриметров. В основе простейшего полутеневого поляриметра лежит использование призмы Николя.